INFORMACIONES TÉCNICASTECNOLOGÍA

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HORMIGÓN DE ALTO DESEMPEÑO PARA ESTRUCTURAS

1. INTRODUCCIÓN

A partir del desarrollo del cemento portland (Aspdin, 1824) hasta nuestros días, el hormigón, constituyendo una mezcla de agregados, cemento y agua (incluyendo aditivos), presenta características determinadas en cuanto a trabajabilidad, resistencia y durabilidad, muy conocidas, a tal punto que se encuentran en códigos tales como el ACI 318, las normas INEN, etc.

Con el acceso a estos códigos, y contando con el equipo apropiado, se puede obtener lo que se conoce como un hormigón normal.

Pero el mundo moderno exige al hombre superar problemas ingenieriles cada vez mayores: ambientes más agresivos, mayores alturas de colocación, menores tiempos para el desencofrado, etc.

Así se obtiene en los últimos años un desarrollo notable, tanto en lo que respecta a los medios de producción y dosificación como al conocimiento más acabado de las características reológicas y propiedades mecánicas del hormigón. Este desarrollo se refleja en una marcada tendencia a la utilización de este nuevo material en países desarrollados. En los EE.UU. se comercializa actualmente hormigón con una resistencia especificada de 120 MPa. En Europa, muchos puentes y proyectos se diseñan con hormigón de 60 MPa o más. También Japón figura entre los países a la vanguardia, con resistencias especificadas a la compresión del orden de 78 MPa.

Estos avances han permitido la obtención de un hormigón con propiedades mecánicas, trabajabilidad y durabilidad superiores a lo común, o lo que es igual, un HAD.

¿QUE ES UN HAD ?

Según el WORKSHOP sobre Hormigones de Alto Desempeño (HAD) llevado a cabo en 1990 en Maryland, U.S.A. por el NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología), ACI, y otros organismos, se define como “el hormigón que, teniendo las deseadas propiedades y uniformidad, no puede ser obtenido por métodos rutinarios y usando materiales y métodos de mezclado, colocación y curado tradicionales”. [1]

ALTA RESISTENCIA COMO ALTO DESEMPEÑO

La resistencia mecánica es, a juicio del autor, la característica más representativa de un HAD. Por lo anteriormente expuesto, se cree conveniente transcribir la definición del trabajo que adoptó el Comité ACI 363 (High Strength Concrete): “La preocupación inmediata del Comité 363 debe ser hormigones con una resistencia de diseño especificada a la compresión de 41 MPa o mayor, pero por ahora sin incluir hormigones que usen materiales o técnicas exóticas”. El término exótico se refiere a hormigones tales como impregnados con polímeros, epóxidos, con agregados artificiales, etc. [2]

En realidad, todos los cambios que ocurren sobre los 41 MPa representan un proceso que comienza con los hormigones de baja resistencia y continúa hacia los hormigones de alta resistencia. Muchas relaciones empíricas utilizadas para predecir propiedades del hormigón o diseñar elementos estructurales están basadas utilizando resultados de pruebas con hormigones de resistencia menor a 41 MPa. La obtención de datos para hormigones de resistencia superior a partir de estas ecuaciones requiere una evaluación cuidadosa de las mismas para determinar su aplicabilidad al hormigón en estudio. Si resulta necesario se realizarán ensayos para obtener los datos para el material en cuestión.

Hay que reconocer que la definición de alta resistencia es una función de la situación geográfica. En regiones donde se produce comercialmente hormigón de 62 MPa de resistencia a la compresión, alta resistencia podría estar en el rango de 83 MPa a 103 MPa. Sin embargo, en regiones donde el tope de resistencia a la compresión para los hormigones comercializados sea de 34 MPa, bien podríamos llamar hormigón de alta resistencia a uno con 62 MPa de resistencia a la compresión.

Se presenta entonces el reto obligado, objetivo de este trabajo, obtener un hormigón cuyas características antes mencionadas sean mucho mejores, que estén de acuerdo a los requerimientos de las obras de hoy. Obtener lo que en países desarrollados se conoce como HORMIGÓN DE ALTO DESEMPEÑO.

2 MATERIALES CONSTITUYENTES DEL HAD

2.1 INTRODUCCIÓN

La producción de un HAD que cumpla consistentemente con los requerimientos de trabajabilidad y desarrollo de resistencia, da lugar a controles y exigencias mayores para la selección de materiales que para un hormigón de resistencia normal.

Se requieren materiales de buena calidad, y con un cumplimiento estricto de las especificaciones.

2.2 CEMENTO

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El cemento cumple un papel de vital importancia como material constituyente de un Hormigón de Alto Desempeño; es por eso que se le debe brindar la mayor atención antes y durante la construcción de la obra a las características y propiedades del mismo.

2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE LA PASTA DE CEMENTO

El producto resultante de la combinación de cemento más agua, se denomina pasta de cemento. Esta pasta tiene la función de cubrir a los agregados finos y gruesos en toda su superficie, además de llenar los vacíos que por efectos de granulometría existen en mayor o menor cantidad.

En la pasta de cemento, según Mehta [3], se diferencian dos zonas:

a) Pasta de Cemento

Esta zona comprende a la pasta en sí. Es la matriz que contiene a los agregados y en conjunto forman el hormigón. Aquí, los productos de hidratación del cemento tales como hidratos de sulfoaluminato de calcio, hidratos de silicato de calcio e hidróxido de calcio, comienzan a cristalizar y llenar espacios originalmente ocupados por agua.

Al comienzo del proceso hay mucha disponibilidad de espacio y se forman con facilidad grandes cristales en el exterior de las partículas de cemento. A estas formaciones se las denomina productos externos.

A medida que continúa el proceso, los vacíos disminuyen en número y tamaño y se dificulta la libre circulación del agua. La hidratación posterior de las partículas de cemento de mayor tamaño ocurre mediante un proceso más lento, ya en un estado sólido. Esto hace que los productos que se obtienen en esta etapa se desarrollen dentro de los límites de las partículas en hidratación y sean más compactos y en su mayoría amorfos (no cristalinos), por lo que se los conoce como productos internos.

La resistencia de la pasta de cemento se debe principalmente a fuerzas de atracción molecular a nivel superficial del tipo de Van der Waal’s. Si las partículas se encuentran más cercanas entre sí, con menos cristalinidad, la resistencia será mayor. Por eso se desea obtener en su mayoría estructuras del tipo compacto y amorfo como los productos internos.

b) Zona de Transición

Esta corresponde a la interfase pasta – agregado. Normalmente el agregado grueso ejerce un efecto de pared en la mezcla, lo que ocasiona que parte del agua de exudación se acumule alrededor de él, aumentando considerablemente la relación agua – cemento de la pasta que se encuentra alrededor del agregado, en comparación con la pasta en la matriz. Esto

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ocasiona una discontinuidad en el material que afecta seriamente a la resistencia. También se verifica que, al tener más espacio disponible, los compuestos C-S–H van a cristalizar como productos externos, es decir con menor resistencia.

Si utilizamos el modelo de Weibull para definir al hormigón como una cadena compuesta por tres eslabones, agregado grueso, pasta, e interfase, vemos que el más débil de todos es la interfase o zona de transición, y la cadena lógicamente romperá por ese eslabón.

Los esfuerzos deben encaminarse entonces a la obtención de una zona de transición con características iguales a las de la matriz, para evitar discontinuidades y poder transmitir correctamente las tensiones entre los componentes de la mezcla.

2.2.2 CONSIDERACIONES PARA LA SELECCIÓN DEL CEMENTO

La selección del cemento portland para un HAD es muy importante. A menos que se deseen resistencias iniciales altas, como en hormigón pretensado, no hay necesidad de utilizar un cemento tipo III. Más aún, dentro de un tipo de cemento dado, las diversas marcas tendrán características de desarrollo de resistencia diferentes debido a las variaciones en la composición y finura que permite la Norma ASTM C 150.

Esto nos alerta sobre la necesidad de controlar dentro de una misma marca o proveedor las variaciones antes mencionadas para evitar problemas en la ejecución de obras.

Se puede obtener certificados de silo de los proveedores potenciales de los 6 meses a los 12 meses previos. Esto no solamente nos dará una idea de las características de resistencia (Ensayo de morteros en cubos ASTM C 109), sino también, quizás más importante, de la uniformidad del cemento. Se debe pedir al proveedor reportes de uniformidad en concordancia con la NormaASTM C 917. Si el contenido de silicato tricálcico varía en más del 4%, la pérdida por ignición en más de 0,5%, o la finura en más de 37.5 m2/kg (Blaine), pueden surgir problemas en mantener una alta resistencia uniforme. Los niveles de sulfato (SO3) deben ser mantenidos en lo óptimo, limitando las variaciones a un 0.20 %.

Aunque los ensayos de mortero en cubos pueden dar una buena indicación de la resistencia potencial, debemos basarnos en los resultados de los pastones de prueba. Estos deben contener los materiales que se utilizarán en la obra y ser preparados con el revenimiento deseado, determinando resistencias a 7 d, 28 d, 56 d, y 90 d. El efecto de las características reológicas del cemento en cuanto a requerimiento de agua es más notable en hormigones de alta resistencia debido a los mayores contenidos de cemento.

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Cuando tenemos contenidos altos de cemento, podemos esperar una elevación de temperatura significativa en los elementos. Si esto representa un problema, podemos acudir al cemento tipo II, o cementos con adiciones activas, siempre y cuando cumpla los requerimientos de desarrollo de resistencia.

Una consideración posterior es la optimización del conjunto cemento – aditivo. El efecto de un agente reductor de agua en los requerimientos de agua de la mezcla, por ejemplo, dependerá de las características del cemento. El desarrollo de resistencias, así mismo, lo hará dependiendo de las características del cemento y contenido del mismo.

2.3 ADITIVOS QUÍMICOS

2.3.1 GENERALIDADES.

Los aditivos son ampliamente utilizados en la producción de hormigones de alto desempeño. Estos son agentes incorporadores de aire y aditivos químicos y minerales. Los agentes incorporadores de aire disminuyen la tensión superficial del agua permitiendo la creación de un sistema de burbujas de aire diminutas, las cuales aumentan la durabilidad del hormigón. Los aditivos químicos generalmente son producidos a base de lignosulfonatos, ácidos carboxílicos hidroxilados, carbohidratos, condensados de melamina y naftalina, y aceleradores orgánicos e inorgánicos de variada formulación.

La selección del tipo, marca, y dosificación de todos los aditivos, debe hacerse considerando el conjunto de materiales que se utilizarán en determinado proyecto. Aumento significativo en la resistencia, control sobre el tiempo de fraguado, desarrollo acelerado de resistencia, mejora en la trabajabilidad y durabilidad, son contribuciones que se pueden esperar dependiendo del tipo de aditivo escogido; teniendo en cuenta al momento de la elección el desenvolvimiento del mismo en trabajos anteriores.

2.3.2 AGENTES INCORPORADORES DE AIRE (ASTM C 260)

La resistencia del hormigón dependerá de la relación gel – espacio, la que se define como la relación entre el volumen de pasta de cemento hidratada y la suma de los volúmenes de pasta de cemento hidratada mas los de los poros capilares. Esto es particularmente cierto cuando se utilizan agentes incorporadores de aire. De aquí que la resistencia de la mezcla se pueda reducir de un 5 % a 7 % por cada 1% de aire en la mezcla (Fig. 1)

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El aire incorporado tiene el efecto de disminuir la resistencia, particularmente en mezclas de alta resistencia, y por esa razón se ha utilizado sólo donde se necesita una alta durabilidad, como por ejemplo en hormigones que estarán sujetos a ciclos de congelación y deshielo.

2.3.3 RETARDADORES (ASTM C 494, Tipos B y D)

Los diseños de mezclas de hormigón de alta resistencia incorporan factores de cemento que no son comunes a los utilizados en hormigón de comercialización normal. El diseño estructural generalmente determina secciones con mucho acero de refuerzo, o formas muy complicadas, con la consiguiente dificultad en la colocación del hormigón. Un retardador puede controlar el tiempo de fraguado del hormigón colocado para eliminar juntas frías y dar mayor flexibilidad a los itinerarios de colocación. Al utilizar retardadores de fraguado hay que tener en cuenta el hecho de que, aún produciendo un retardo inicial, la resistencia a 24 h y posteriores generalmente se incrementan con dosis normales. Un retardo excesivo o bajas temperaturas pueden afectar la resistencia temprana (24 h) contrariamente.

2.3.4 PLASTIFICANTES – FRAGUADO NORMAL (ASTM C 494, Tipo A)

Los plastificantes o aditivos reductores de agua incrementan la resistencia del hormigón sin alterar la velocidad del fraguado. La selección debe basarse en el desarrollo de resistencias. Dosificaciones en cantidades por encima de lo normal generalmente incrementan la resistencia, pero pueden extender el tiempo de fraguado. Cuando estos aditivos son usados de esta manera, para causar retardo, suelen ocasionar incrementos en la resistencia.

2.3.5 REDUCTORES DE AGUA DE ALTO RANGO (ASTM C 494, Tipos F y G)

Los aditivos reductores de agua de alto rango o superplastificantes son una herramienta sin la cual no se hubiera desarrollado el hormigón de alto

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desempeño hasta los niveles actuales. Su utilización es prácticamente obligada en todo proyecto en el que se especifique la utilización de un HAD.

La función principal de los reductores de agua de alto rango es la defloculación de los granos de cemento. [5]. Este es el proceso mediante el cual las partículas de cemento en suspensión recobran su tamaño inicial (5 mm – 50 mm en su mayoría), ya que por atracción electrostática los granos tienden a formar grumos (o flóculos), lo que conduce a una apreciable reducción en la cantidad de agua necesaria en la mezcla, debido a que mucha de ésta no se quedará atrapada en los flóculos de cemento.

Tenemos que tener presente que es necesario escoger la mejor combinación cemento – aditivo, tanto en tipo como en dosificación [6].Mediante la utilización de estos aditivos podemos obtener altas resistencias a temprana edad (24 h). Se puede incrementar la resistencia manteniendo el asentamiento especificado. Asimismo, se puede incrementar el asentamiento manteniendo la resistencia.

El método de incorporación del aditivo a la mezcla debe ser tal que garantice una correcta y completa distribución del mismo. Un mezclado adecuado es crítico para la obtención de un desempeño uniforme.

2.3.6 ACELERADORES DE FRAGUADO (ASTM C 494, Tipos C y E)

Normalmente no se utiliza este tipo de aditivo en hormigones de alto desempeño a menos que la necesidad de un desencofrado rápido sea crítica. Es conocido el efecto contraproducente de los aceleradores de fraguado en el desarrollo de resistencias a largo plazo.

El HAD resulta adecuado para la remoción de encofrados verticales en muros y columnas a temprana edad.

2.3.7 COMBINACIÓN DE ADITIVOS

La utilización de aditivos plastificantes de fraguado normal o retardadores conjuntamente con reductores de agua de alto rango, han resultado de gran ayuda en la realización de determinados proyectos. Muchas veces consideraciones de orden económico obligan a buscar alternativas en el uso de los aditivos, pues el alto costo de los superplastificantes, imprescindibles en un HAD, repercute de manera importante en el costo final del hormigón.

Con una combinación óptima de aditivos se pueden obtener frecuentemente mejoras en las propiedades del hormigón tales como ganancia de resistencia, control de tiempo de fraguado, y trabajabilidad.

Es recomendable, eso sí, que sean añadidos por separado y siguiendo las recomendaciones dadas por el fabricante.

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2.4 ADICIONES MINERALES Y CEMENTO DE ESCORIA

Se han utilizado en hormigones de alta resistencia, cementos de escoria y adiciones minerales muy finas consistiendo éstas principalmente en cenizas volantes y humo de sílice.

Mediante la utilización de estas adiciones minerales de extrema finura y químicamente reactivos, se logra llenar los microvacíos del empaquetamiento granular conformado por agregados y cemento, mejorando la compacidad del material, y a la vez, las propiedades reológicas de la mezcla fresca. Se deduce de aquí que la cantidad de agua necesaria puede ser reducida, mejorando la resistencia del hormigón. Además, éstas adiciones reaccionan a mediano y largo plazo con el hidróxido de calcio producido en la hidratación del cemento portland, dando como resultado compuestos S–C–H de mucha mayor resistencia.

2.4.1 CENIZAS VOLANTES

Estas cenizas se dividen, para su utilización en hormigón, en dos clases:

Ceniza volante de Clase F es la que se produce normalmente de la combustión de la antracita o carbón bituminoso y posee propiedades puzolánicas, pero pocas o ninguna propiedad cementicia.

Ceniza volante de Clase C resulta de la combustión de lignita o carbón subbituminoso, y adicionalmente a las propiedades puzolánicas, posee propiedades cementicias autógenas.

Las especificaciones para las cenizas volantes se encuentran en la norma ASTM C 618. Los métodos para muestreo y ensayo se encuentran en el ASTM C 311. Las variaciones en las propiedades físicas o químicas de las adiciones minerales, aún dentro de las tolerancias de estas especificaciones, pueden causar variaciones apreciables en las propiedades de los hormigones de alta resistencia. Estas variaciones pueden ser minimizadas mediante un ensayo apropiado de los embarques y aumentando la frecuencia de los mismos. el ACI 212.2R provee indicaciones a segur para el uso de adiciones en el hormigón. Es muy importante que a estas adiciones minerales se les realice ensayos de aceptación y uniformidad, y se investigue minuciosamente sus propiedades en el desarrollo de resistencias y compatibilidad con los otros materiales de la mezcla de hormigón, antes de su utilización en la obra.

2.4.2 HUMO DE SÍLICE

El humo de sílice, llamado también microsílice, y aditivos que lo contienen han sido utilizados en hormigones para propósitos estructurales, aplicaciones superficiales y como material de reparación en situaciones en donde se

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requiere resistencia a la abrasión y baja permeabilidad. El humo de sílice es un subproducto que resulta de la reducción del cuarzo de alta pureza con carbón en calderos de arco eléctrico en la producción de silicio y aleaciones de ferrosilicio. El humo, consistiendo de partículas esféricas muy finas y cuyo contenido de sílice amorfo es muy elevado, es extraído de los gases de escape de los calderos.

El humo de sílice consiste de partículas vidriosas muy finas con una superficie específica del orden de los 2000 m2/kg, la que es medida mediante técnicas de adsorción de nitrógeno. La distribución del tamaño de las partículas de un humo de sílice típico indica que la mayoría de las partículas son menores a un micrómetro (1m) con un diámetro promedio de casi 0.1 m, lo que es aproximadamente menor en 100 veces la partícula promedio de cemento. La gravedad específica típica es 2.2, pero puede llegar tan alto como 2.5. La densidad volumétrica tal como se extrae es de 160 kg/m3 a 320 kg/m3; sin embargo, también se lo consigue en formas densificada y de barro (slurry) para aplicaciones comerciales.

Este material, a causa de su extrema finura y su alto contenido de sílice, cumple un papel muy importante en la estructura de la pasta de cemento. Actúa como relleno físico o filler, aumentando la compacidad de la mezcla. Reduce considerablemente la exudación en el hormigón fresco debido a su gran superficie específica y capacidad para retener el agua. Se convierte en sitios de nucleación para los hidratos de cemento reaccionando puzolánicamente con la cal durante la hidratación del cemento para formar los compuestos cementicios estables de silicato de calcio hidratado (S-C-H). Asimismo, al reducir el espacio disponible para la formación del S-C-H, se favorece la formación de compuestos internos, de mayor resistencia.

La disponibilidad de reductores de agua de alto rango ha facilitado el uso del humo de sílice como parte del material cementante para producir hormigones de alto desempeño. Los contenidos normales de humo de sílice varían entre 5 % y 15% del peso del cemento.

La utilización del huno de sílice en la producción de hormigones de alta resistencia se incrementó dramáticamente en los años 80. Experiencias de laboratorio y campo indican que el hormigón que incorpora humo de sílice tiene una tendencia marcada a desarrollar fisuras por contracción plástica. Entonces, se hace necesario cubrir rápidamente las superficies expuestas del hormigón con humo de sílice para prevenir pérdidas rápidas de agua por evaporación. Ya que es un material relativamente nuevo en la industria, el usuario de esta técnica debe referirse a publicaciones para obtener información adicional.

2.4.3 CEMENTO DE ESCORIA

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Este cemento se produce en ciertas partes alrededor del mundo donde existan altos hornos para la producción del acero. Las especificaciones para la escoria de alto horno están dadas en el ASTM C 989, y para el cemento portland que utiliza esta escoria se encuentran en el ASTM C 595. La escoria apropiada para hormigón es un producto no metálico que se desarrolla en la fundición simultánea con el acero en un alto horno. Correctamente apagado y procesado, la escoria actuará hidráulicamente en el hormigón como reemplazo parcial del cemento portland. La escoria puede ser molida conjuntamente con el cemento o utilizada como un cemento adicional. Esta constituida esencialmente de silicatos y aluminosilicatos de calcio y otras bases. La investigación en la utilización de estas escorias ha demostrado un futuro muy promisorio en su utilización en hormigones de alta resistencia.

2.4.4 EVALUACIÓN Y SELECCIÓN

Las adiciones minerales y cementos de escoria, como cualquier material en un hormigón de alto desempeño, debe ser evaluados utilizando mezclas de ensayo de laboratorio para establecer las cualidades deseables óptimas. Deben utilizarse materiales representativos de los que se utilizarán posteriormente en la obra. Debe tenerse un cuidado particular en asegurar que las muestras de adición mineral provengan de embarques al granel, y que sean representativas. Generalmente se utilizan pastones de prueba variando el factor de cemento y la cantidad de aditivo para establecer curvas que pueden servir para determinar cantidades óptimas de los mismos para obtener determinados resultados.

Cuando se utiliza ceniza volante, se recomienda que como mínimo cumpla con la especificación ASTM C 618. Aunque esta especificación permite una pérdida por ignición más alta, un valor de 3% o menos es deseable. Una alta finura, uniformidad de producción, alta actividad puzolánica y compatibilidad con los otros ingredientes de la mezcla son puntos de primordial importancia.

Las condiciones locales en el Ecuador no permiten una selección amplia de estos materiales. La inexistencia de altos hornos y la no producción de silicio y sus aleaciones a niveles industriales, limitan por completo la disponibilidad en el mercado común de estas adiciones, lo que obliga a la utilización de productos importados, por ejemplo: EMSAC F-100T, producto perteneciente a la firma Elkem Materials Inc. con base en Pennsilvania, que fue el que se utilizó para la realización de este proyecto de HAD.

2.5 AGREGADOS

2.5.1 GENERALIDADES

Tanto el agregado fino como el grueso utilizados en hormigones de alto desempeño, deben como mínimo cumplir los requerimientos del ASTM C 33; sin embargo, las siguientes excepciones pueden ser de utilidad.

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2.5.2 GRANULOMETRÍA

2.5.2.1 AGREGADO FINO

Un agregado fino está constituido por partículas de forma redondeada y textura suave ha demostrado que requiere menos agua de mezclado en el hormigón, y por esta razón es preferible en hormigón de alto desempeño. La granulometría óptima de un agregado fino es determinada más por su efecto en el requerimiento de agua que en su empaquetamiento físico. Algunos reportes indican que arenas con un módulo de finura (MF) inferior a 2.5 dan al hormigón una consistencia pegajosa, haciéndolo difícil de compactar. Arenas con un MF de 3.0 han dado los mejores resultados en cuanto a trabajabilidad y resistencia a la compresión.

Los hormigones de alta resistencia contienen generalmente tal cantidad de materiales cementicios finos que la granulometría de los agregados utilizados es de menor importancia comparado con el hormigón convencional. Sin embargo, a veces resulta útil incrementar el módulo de finura.

La cantidad de material que pasa los tamices Nº 50 y Nº 100 debe mantenerse baja, pero dentro de los límites establecidos por el ASTM C 33. Además se deben evitar materiales contaminantes tales como micas y arcillas.

2.5.2.2 AGREGADO GRUESO

Muchos estudios han demostrado que para una resistencia a la compresión alta con un alto contenido de cemento y baja relación agua – cemento el tamaño máximo del agregado debe mantenerse en el mínimo posible (12.7 mm ó 9.5 mm). Tamaños máximos de 19.0 mm y 25.4 mm se han usado con éxito. Cordon y Gillespie [7] sostienen que el incremento en la resistencia a medida que se disminuye el tamaño máximo del agregado se debe a la reducción en los esfuerzos de adherencia debido al aumento de la superficie específica de las partículas. Se ha encontrado que la adherencia a una partícula de 76 mm es apenas 1/10 que a una de 12.5 mm; y que excepto para agregados extremadamente buenos o malos, la adherencia es aproximadamente un 50 % a 60% de la resistencia de la pasta a los 7 d. Se debe recordar aquí que las fuerzas de vínculo dependen de la forma y textura superficial del agregado grueso (mecánicas), eventual reacción química entre los componentes de la pasta de cemento y los agregados, como por ejemplo las calizas (químicas), y de las ya explicadas fuerzas de atracción molecular (tipo Van der Waal’s).

Esto es llamado el efecto tamaño del agregado en el hormigón. Como se mencionó en el capítulo 2.2.1, la existencia de la zona de transición es un limitante para la resistencia del hormigón. El tamaño del agregado determinará también el tamaño de esta zona.

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Otro aspecto que tiene que ver con el tamaño máximo del agregado es el hecho de que existe una mayor probabilidad de encontrar fisuras o fallas en una partícula de mayor tamaño debido a los procesos de explotación del material en las canteras (dinamitado), y debido a la reducción de tamaño (trituración), lo que lo convertirá en un material indeseable para su utilización en hormigón.

También se considera que la alta resistencia producida por agregados de menor tamaño se debe a una baja en la concentración de esfuerzos alrededor de las partículas, la cual es causada por la diferencia de los módulos elásticos de la pasta y del agregado.

Muchos estudios han demostrado que la grava triturada produce resistencias mayores que la grava redondeada. Esto se debe a la trabazón mecánica que se desarrolla con las partículas angulares. Sin embargo, se debe evitar una angularidad excesiva debido al aumento en el requerimiento de agua y disminución de la trabajabilidad a que esto conlleva. El agregado ideal debe ser limpio, cúbico, angular, triturado 100 % con un mínimo de partículas planas y elongadas.

Debido a que la adherencia es un factor limitante en la producción de hormigón de alta resistencia, la mineralogía del agregado debe ser tal que promueva una adherencia química, o por lo menos que no la obstruya. Se han realizado trabajos [8] con materiales artificiales como clínker de cemento portland y aluminoso, y escorias seleccionadas. Sin embargo, la estabilidad a largo plazo del clínker se encuentra en cuestionamiento.

2.5.3 ABSORCIÓN

El curado es extremadamente importante en la producción de hormigón de alta resistencia. Para producir una pasta de cemento con el mayor contenido de sólidos posible, el hormigón debe contener la mínima cantidad de agua absoluta de mezclado. Sin embargo, después que se ha colocado el hormigón y la estructura de la pasta se ha establecido, el agua debe estar siempre disponible, especialmente durante las etapas iniciales de la hidratación. Durante este período, una gran cantidad de agua se combina con el cemento. Toda esa agua pierde aproximadamente ¼ de su volumen después que se han completado las reacciones químicas. Esto crea un pequeño vacío que es capaz de hallar agua en pequeñas distancias hacia adentro del hormigón el cual, en esos momentos, es relativamente permeable. Agua adicional que pueda entrar en la estructura incrementará la hidratación y, así también el porcentaje de sólidos por unidad de volumen de pasta, incrementando la resistencia. Si los agregados son capaces de absorber una moderada cantidad de agua, pueden actuar como recipientes diminutos distribuidos por todo el hormigón, así proporcionando esa agua adicional que es benéfica para las pastas de baja relación agua – cemento.

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2.5.4 RESISTENCIA INTRÍNSECA DEL AGREGADO

Resulta obvio el hecho que un hormigón de alta resistencia requiera agregados de alta resistencia.

Volviendo al modelo de Wibull se confirma este hecho. No nos serviría de nada obtener una pasta de cemento muy resistente con una zona de transición con características similares, si el agregado que se utilizará es débil y de mala calidad.

La resistencia de las partículas individuales del agregado, depende básicamente del tamaño y distribución de sus poros, y de la presencia de planos de debilidad tales como microfisuras o minerales débiles.

Se considera un agregado de buena calidad por ejemplo a las rocas ígneas de grano fino como el basalto o el granito, y rocas sedimentarias densas como las calizas y ciertas gravas silíceas, con resistencias típicas a la compresión comprendidas entre 100 MPa y 200 MPa.

2.6 AGUA

Los requerimientos de calidad para el agua que se utiliza en hormigones de alto desempeño no son más estrictos que los necesarios para el agua en los hormigones convencionales. Generalmente se especifica que el agua para el hormigón debe ser potable. Sin embargo, hay casos en los que se debe utilizar agua de dudosa calidad. En estos casos se deben realizar pastones de prueba con el agua en cuestión y compararlos con otros realizados con agua destilada, o puede ser más conveniente realizar ensayos en morteros según la norma ASTM C 109. En cualquier caso los especímenes se deben ensayar a 7 d y 28 d. La norma ASTM C 94 y el Cuerpo de Ingenieros de los EE.UU. acepta que la resistencia de las probetas realizadas con el agua en estudio sea hasta un 90 % de la resistencia de las probetas patrón.

3 DOSIFICACIÓN

3.1 INTRODUCCIÓN

Las proporciones de la mezcla para hormigones de alto desempeño varían ampliamente dependiendo de muchos factores. el nivel de resistencia requerido, la edad de ensayo, características de los materiales, y el tipo de aplicación son factores que influyen en las proporciones de la mezcla. Además, otros factores importantes son: el económico, requerimientos estructurales, facilidad de fabricación, ambiente de curado previsto y hasta la época del año. En el ACI 211.1 y ACI SP-46 se encuentra disponible mucha información acerca de mezclas de hormigón; en este último se incluye un trabajo sobe proporcionamiento y control de hormigón de alta resistencia.

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El diseño de mezclas de hormigón de alta resistencia es un proceso mucho más crítico que el de hormigones convencionales. Usualmente, se emplean adiciones químicas y puzolanas especialmente seleccionadas, además se considera esencial obtener una baja relación agua – materiales cementicios. Muchos pastones de prueba son requeridos para obtener los datos suficientes que permitan al investigador reconocer las proporciones para una mezcla óptima.

3.2 MÉTODOS DE DOSIFICACIÓN

3.2.1 GENERALIDADES

Las proporciones de un hormigón de alto desempeño pueden determinarse siguiendo un proceso arbitrario de pruebas. Esto, sin embargo, consume mucho tiempo y puede ocasionar un desperdicio excesivo de los materiales y recursos disponibles.

La cantidad de materiales que intervienen en una mezcla de hormigón, y la manera en que la variación de sus características influye en las propiedades de la misma, hace necesario el contar con uno o más métodos de dosificación. Estos métodos deben permitir al productor de hormigón, partiendo de un análisis previo de los componentes, definir un proporcionamiento de los materiales para obtener la combinación óptima que satisfaga los requerimientos deseados, con el menor número de ajustes posible.

Addis y Alexander [9], por ejemplo, sostienen que un método ideal de dosificación debe:

adaptarse al amplio rango de propiedades de los ingredientes basarse en propiedades de los mismos, que sean fáciles de

determinar ser fácil de usar y consistir del menor número de pasos, para evitar

errores.Muchos métodos se han desarrollado a lo largo de la historia para este fin. Troxell et al [10] presenta algunos métodos tales como:

Proporcionamiento por máxima densidad de los agregados Proporcionamiento por superficie específica de los agregados Proporcionamiento por relación vacíos – cemento y vacíos en el

mortero Proporcionamiento por contenido de vacíos en el agregado grueso Proporcionamiento por módulo de finura de los agregados

Unos se han demostrado más adecuados para determinado tipo de aplicaciones. Otros ya han caído en desuso.

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3.2.2 MÉTODO ACI 211

El método del Comité ACI 211 [11] es el más utilizado en hormigones convencionales por su simplicidad y buena aproximación a las proporciones óptimas de la mezcla. Sin embargo, para hormigones de alto desempeño suelen utilizarse modificaciones de la Tabla 1, utilizando contenidos de agregado grueso un poco mayores debido a la alta cantidad de materiales cementantes [12]

Tabla 1 – Volumen de agregado grueso por unidad de volumen de hormigón (*)

Tamaño máximo del agregado, en mm

Volumen unitario de Agregado grueso, seco y varillado, para diferentes MF de Agregado fino (**)

2.4 2.6 2.8 39.512.51925

37.55075

150

0.50.590.660.710.750.780.820.87

0.480.570.640.690.730.760.80.85

0.460.550.620.670.710.740.780.83

0.440.530.60.650.690.720.760.81

(**) El agregado grueso se supone seco y varillado según la Norma ASTM C29

Este método ofrece la alternativa de determinar la cantidad de arena en base a los pesos de los materiales o a los volúmenes absolutos.

Los datos necesarios previos a la aplicación del método son los siguientes:

Análisis granulométrico de los agregados Peso unitario varillado del agregado grueso Gravedad específica de los agregados Requerimientos de agua de mezclas realizadas con los agregados

disponibles Correspondencias entre la relación agua – cemento o agua – cemento

más otros materiales cementantes y la resistencia. Gravedad específica del cemento y otros materiales cementicios. Combinación óptima de los agregados gruesos, si hubiere más de uno.

Disponiendo de lo anterior, se siguen en orden los siguientes pasos:

1. Elección del asentamiento, si no se ha especificado previamente2. Selección del tamaño máximo del agregado3. Estimación del contenido de agua y aire en la mezcla4. Elección de la relación agua – cemento o agua – materiales cementicios5. Cálculo del contenido de materiales cementicios6. Estimación del contenido de agregado grueso

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7. Estimación del contenido de agregado fino (aquí se presenta la alternativa de trabajar en base a pesos o volúmenes absolutos)

8. Ajuste por humedad y absorción de agregados9. Ajuste en los pastones de prueba

El método, además, presenta una serie de tablas para el proporcionamiento de los materiales de la mezcla, por ejemplo: Tabla 1, las que deben ser utilizadas con criterio, pues han sido desarrolladas para hormigones convencionales [3]

3.2.3 MÉTODO LCPC – MODIFICADO (LARRARD)

El método desarrollado por F. de Larrard [5] para dosificar mezclas de hormigón de alto desempeño parte del método experimental desarrollado por el Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), e incorpora fundamentos teóricos y métodos experimentales para determinación de propiedades de las pastas cementantes.

El método experimental del LCPC inicialmente concebido, consiste en ajustar primero las proporciones de agregado grueso y fino mediante la utilización de un contenido arbitrario de pasta de cemento, hasta obtener la trabajabilidad óptima o deseada. Luego, con esta proporción ajustada, se realizan mezclas con diversos contenidos de cemento, ajustando en cada caso la cantidad de agua para obtener la misma trabajabilidad. Con los resultados a compresión de las mezclas, y sus respectivas dosificaciones, se interpola entre los datos para obtener las proporciones deseadas.

El método Larrard, además, utiliza la fórmula de Feret ampliada a la utilización de humo de sílice como modelo para la determinación de la resistencia a la compresión del hormigón, y el modelo reológico de Farris para determinar la viscosidad de suspensiones polidispersas, para la predicción de la trabajabilidad.

En base a lo anterior, se realizan los siguientes pasos:

1. Proporcionamiento de un hormigón de control (método LCPC)2. Medición de la viscosidad de la pasta ligante del hormigón de control3. Determinación de varias composiciones de pastas ligantes de acuerdo a los

materiales disponibles4. Obtención de un valor de saturación (contenido fijo de superplastificante)

para cada combinación anterior.5. Ajuste del contenido de agua para todas las combinaciones (ahora con

contenido fijo de superflastificante) hasta obtener la misma viscosidad que la pasta ligante de control

6. Estudio del comportamiento a lo largo del tiempo de las combinaciones de pastas

7. Predicción de la resistencia (fórmula de Feret ampliada)

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8. Confección del HAD utilizando el mismo esqueleto granular del hormigón de control, pero utilizando las combinaciones de pasta de cemento.

Este método, aunque involucra bastante trabajo de laboratorio, analiza exhaustivamente las características de la pasta ligante y puede resultar más favorable para el estudio de varios materiales contenidos en la misma, y obtener así la mejor dosificación.

3.3 REQUERIMIENTOS DE RESISTENCIA

3.3.1 ACI 318

Normalmente, el hormigón se proporciona de tal manera que el promedio de los resultados de resistencia exceda a la resistencia especificada fc en una cantidad suficientemente alta para minimizar la cantidad de resultados por debajo de este valor de resistencia especificada.

Para facilitar el diseño y control del hormigón contamos con herramientas como la estadística. Un valor promedio se puede calcular para cualquier grupo de valores medidos. La desviación de un valor individual con respecto a la media del grupo se cuantifica generalmente con la desviación estándar, también llamada desviación cuadrática media. Debe tenerse en cuenta el hecho de que existen muchos factores que influirán en la variabilidad de los resultados, tales como los propios materiales, el personal, los equipos, etc., y deberán considerarse en el momento de seleccionar las proporciones de la mezcla y al elegir la desviación estándar que se utilizará para analizar los resultados de resistencia. Los materiales y proporciones de la mezcla deberán recibir el mismo control que los utilizados en obra.

En el hormigón de alta resistencia se nota una alta variabilidad en los resultados de los ensayos, esto se debe a que es más difícil ensayar este hormigón que un hormigón convencional.

El ACI 318 reconoce el hecho de que algunos resultados de ensayo serán menores a la resistencia especificada fc. La aproximación más común es limitando la frecuencia de los ensayos que resulten menores que fc. Se juzga aceptable un hormigón si se cumplen los siguientes requerimientos:

a) El promedio de todos los juegos de tres ensayos consecutivos resulta igual o mayor que fc.

b) Ningún resultado individual de resistencia (promedio de 2 cilindros) resulte menor que fc en más de 3.4 MPa (35 kg/cm2).

Hay que tener en cuenta el hecho de que el hormigón de alta resistencia gana mayores resistencias con el paso del tiempo, si bien en porcentaje puede ser igual o menor. Por ejemplo, una mezcla con un resultado de 17.5 MPa

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(180 kg/cm2) a los 7 d puede lograr una resistencia de 29.5 MPa (300 kg/cm2) en 90 d; esto es un incremento (7 a 90) del 68 %, o 12 MPa (120 kg/cm2). Otra mezcla (HAD) resiste a los 7 d, 50.5 MPa (510 kg/cm2) y puede obtener una resistencia de 69.5 MPa (700 kg/cm2) a los 90 d; esto representa apenas un incremento de un 37% pero ha ganado 19 MPa (190 kg/cm2), 7 MPa (70 kg/cm2) más de ganancia total que la mezcla de hormigón convencional. Esto nos indica que debemos analizar bien los resultados y las características del hormigón antes de ordenar alguna acción debido a la aparición de algunos resultados adversos.

3.3.2 OTROS REQUERIMIENTOS

En determinadas situaciones, otro tipo de consideraciones serán primordiales para el diseño de la mezcla. Estas pueden ser resistencia a la flexión, tracción, durabilidad, etc.

3.4 EDAD DE ENSAYO

La selección de las proporciones de la mezcla puede ser influenciada por la edad a la que se ensayará el hormigón. Esta edad varía dependiendo de los requerimientos de la construcción. En general, para un HAD, se prefiere determinar edades de ensayo mayores a los 28 días, para aprovechar el aumento de resistencia a largo plazo característico de estos hormigones.

3.4.1 EDAD TEMPRANA

En aplicaciones especiales tales como hormigones pretensados o encofrados deslizantes se requieren resistencias tempranas elevadas. Estas resistencias pueden tener mayor variabilidad debido a la influencia de la temperatura de curado y a las características propias de cada cemento a temprana edad. De aquí que estos resultados deben ser evaluados finalmente para una resistencia o edad mayor.

3.4.2 VEINTIOCHO DÍAS

Esta ha sido la edad más común para ensayar el hormigón. El desenvolvimiento de las estructuras se ha correlacionado empíricamente con cilindros curados en agua, generalmente de 150 mm x 300 mm confeccionados de acuerdo con las ASTM C 31 y C 192. Esto ha producido buenos resultados en hormigones que no necesitan una evaluación temprana de su resistencia.

Para un HAD, la edad de veintiocho días para el ensayo no resulta adecuada porque se estaría desperdiciando su capacidad intrínseca para incrementar la resistencia.

3.4.3 EDADES POSTERIORES

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Los hormigones de alta resistencia se han ensayado frecuentemente a edades de 56 o 90 días. Estos hormigones son generalmente colocados en columnas de edificios altos, así se puede aprovechar las características de ganancia de resistencia a largo plazo de los materiales de construcción, ya que las solicitaciones calculadas no se dan sino a edades mayores.

A veces resulta de provecho desarrollar un control paralelo a edades tempranas para evitar la incertidumbre de la aceptación a largo plazo. De no hacerlo, puede suceder que después se presente un largo historial de hormigones defectuosos. Esto se puede evitar con pruebas de resistencia acelerada que, si bien ofrecen cierta dificultad para la determinación con precisión de las resistencias posteriores, pueden identificar tendencias de mala producción evitando las molestias que esto ocasionaría.

3.5 RELACIÓN AGUA – CEMENTO

3.5.1 NATURALEZA DE LA RELACIÓN AGUA–CEMENTO EN HORMIGONES DE ALTA RESISTENCIA.

La relación existente entre la relación agua – cemento y la resistencia a la compresión, ya identificada en hormigones convencionales, resulta válida también para hormigones de alta resistencia. Cuando se utilizan materiales puzolánicos se utiliza también una relación agua – (cemento + puzolana) en peso.

La utilización de reductores de agua de alto rango ha facilitado la obtención de relaciones agua – cemento más bajas, así como mayores asentamientos. Las relaciones típicas para hormigones de alta resistencia varían entre 0.27 a 0.40. Debe incluirse siempre la cantidad de agua contenida en el aditivo reductor de agua en la relación agua – cemento.

3.5.2 ESTIMACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN

La resistencia a la compresión que un hormigón desarrollará a una determinada relación agua – cemento variará ampliamente dependiendo del cemento, agregados y tipo de adición utilizada.

Entre las principales causas de variación de la resistencia a la compresión a una relación agua – cemento dada en la resistencia del cemento y la actividad puzolánica de las cenizas volantes u otras adiciones si se utilizaren. Marcas y tipos diferentes de cementos producen resistencias diferentes.

La información contenida en el ASTM C 917 proporciona los rangos para valores de resistencia a compresión de cementos, y el ASTM C 618, para índices de actividad puzolánica, los cuales pueden variar entre 75 % y 110 %. Se ha encontrado humo de sílice con un índice tan alto como 200 %. Los requerimientos de agua de una puzolana particular varían, pero generalmente

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se incrementan con la finura. A menudo se encuentra que para hormigones con ceniza volante, el requerimiento de agua es menor que para hormigones que contengan sólo cemento portland.

A todo esto hay que añadir la necesidad de realizar pastones de prueba en el laboratorio con los materiales que se utilizarán en la obra.

3.6 CONTENIDO DE CEMENTO

La cantidad de cemento por metro cúbico se utilizará en la mezcla debe ser determinada mediante pastones de prueba. Estos contenidos generalmente están comprendidos entre los 400 kg/m3 a 550 kg/m3 aunque se han realizado estudios con contenidos mayores [13]. Usualmente se realiza el estudio dosificando pastones de prueba a una igual consistencia.

3.6.1 OPTIMIZACIÓN

La consideración principal al establecer el contenido de cemento debe ser la identificación de la combinación de los materiales que producirá la resistencia óptima.

Para cualquier combinación de materiales dados en una mezcla, puede haber un contenido unitario de cemento que produzca la máxima resistencia a la compresión. Esta resistencia máxima no siempre se puede superar con la adición de más cemento, pasado este punto.

Por la falta de tiempo y lo costoso de un programa completo de ensayos, se ha limitado en la mayoría de los casos a la evaluación de la marca y tipo de cemento en conjunción con la clase y fuente de puzolana, si esta se utilizare.

La eficiencia del cemento (resistencia del hormigón sobre contenido unitario de cemento) varía para cada nivel de resistencia en cada tamaño máximo de agregado. En niveles de resistencia mayores, se obtienen mayores eficiencias de cemento con agregados de menor tamaño máximo. La Figura 2 ilustra este principio. Por ejemplo, un agregado de tamaño máximo de 9.5 mm rinde la mayor eficiencia para una mezcla de 48 MPa de resistencia.

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3.6.2 FACTORES LIMITANTES

Existen algunos factores que resultan limitantes en la determinación del máximo contenido de cemento en una mezcla de hormigón. La resistencia del hormigón puede disminuir si se adiciona cemento pasado este límite óptimo. También depende de la eficiencia de los agentes dispersantes para evitar la floculación de partículas finas (agentes reductores de agua).

En lo que hace a la trabajabilidad, un alto contenido de cemento incrementará la cohesión a niveles difíciles de manejar, con pérdida de la misma.

También hay que considerar factores de orden térmico; la elevación de la temperatura puede obligar a tomar medidas tales como enfriamiento del agua, agregados, etc.

Los contenidos de cemento menores son deseables para manejar con más facilidad las dificultades de la obra tales como pérdida de revenimiento o tiempo de fraguado.

3.7 PROPORCIONAMIENTO DE AGREGADOS

En la determinación de las proporciones de la mezcla los agregados son muy importantes ya que representan el mayor volumen en el hormigón. Usualmente se utiliza agregado de densidad normal para hormigón de alta resistencia, aunque existen estudios con agregados de alta y baja densidad.

3.7.1 AGREGADO FINO

Es de aceptación el hecho de que el agregado fino causa un impacto mayor en las proporciones de la mezcla que el agregado grueso. Estos contienen una mayor superficie específica que los agregados gruesos, y como la pasta tiene que recubrir todas las superficies de los agregados, el requerimiento de pasta en la mezcla se verá afectado por la proporción en que se incluyan los

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agregados. Además, la forma de las partículas puede ser angular, subangular o esférica; propiedad que alterará también los requerimientos de pasta aunque se mantenga constante el volumen neto de arena.

La granulometría del agregado fino cumple un papel importante. Por ejemplo, un exceso en el pasante de los tamices Nº 50 y Nº 100 incrementará la trabajabilidad pero se hará necesario incrementar el contenido de pasta para cubrir la mayor superficie de estas partículas, además del riesgo de añadir más agua a la mezcla.

3.7.2 AGREGADO GRUESO

La cantidad óptima y tamaño de agregado grueso para una arena determinada dependerá en su mayoría de las características de la arena, sobre todo del módulo de finura (MF) de la misma. Esto se muestra claramente en la Tabla 1 que está tomada del ACI 211.

Tobin [14] sugiere que la proporción de agregado grueso mostrada en la tabla puede incrementarse o disminuirse hasta en un 4%, dependiendo de sí la arena contiene pocos vacíos o sus partículas son muy angulares respectivamente.3.7.3 PROPORCIONAMIENTO

Las cantidades de agregado grueso sugeridas en la Tabla 1 son recomendadas para un proporcionamiento inicial. Se deben considerar las características de la arena tales como MF, angularidad, etc., que seguro alterarán las proporciones de los materiales.

En general, para una pasta dada, la menor cantidad de arena consiste con una buena trabajabilidad, permite obtener las mayores resistencias. Herramientas mecánicas para el manejo y colocación del hormigón resultan de mucha utilidad para poder trabajar con mezclas con contenidos de arena menores.

3.8 PROPORCIONAMIENTO CON ADICIONES

Casi todos los hormigones de alto desempeño contienen algún tipo de adición. Los cambios en la cantidad y calidad de los mismos afectarán las propiedades en el estado fresco y endurecido del hormigón. De aquí que se deba dar una atención especial a los efectos de estas adiciones sobre las características de la mezcla. Se muestra necesario estudiar su comportamiento en pruebas utilizando los materiales a emplearse en la obra.

3.8.1 ADICIONES PUZOLÁNICAS

Estas adiciones se usan con frecuencia como reemplazo del cemento. En hormigones de alta resistencia se las utiliza para sustituir de un 10 a un 40%

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en peso del cemento portland. Si el caso es la adición, se puede reemplazar el volumen del material incluido por el mismo volumen de arena.

El uso de ceniza volante generalmente ocasiona una reducción en los requerimientos de agua de la mezcla, y esa reducción en el volumen de la mezcla, si así ocurriese, se la ha compensado con arena. Lo opuesto ocurre para las otras puzolanas. El uso de humo de sílice por ejemplo, incrementa dramáticamente el consumo de agua de la mezcla, haciendo el uso de retardadores o superplastificantes, obligatorio.

3.8.2 ADITIVOS QUÍMICOS

3.8.2.1 REDUCTORES DE AGUA Y RETARDADORES CONVENCIONALES

La cantidad de estos aditivos en hormigones de alto desempeño varía mucho dependiendo de cada aditivo en particular y su aplicación. La tendencia es utilizar más de lo normal. Reducciones típicas de agua de 5 a 8% se han incrementado a 10%, con la correspondiente compensación de volumen con arena.

3.8.2.2 REDUCTORES DE AGUA DE ALTO RANGO

El criterio es similar al utilizado con los aditivos convencionales, sólo que con reducciones de agua mayores, llegando hasta valores de 12 % a 25 %, con la consiguiente compensación del volumen. Algunos diseñadores simplemente lo adicionan para mejorar la trabajabilidad de la mezcla sin ajustar sus proporciones.

Se puede aprovechar su efecto para disminuir el contenido de cemento, manteniendo la misma relación agua – cemento, para reducir la cantidad de calor de hidratación producida. Debido a la relativa gran cantidad de agua introducida como parte del aditivo, el peso de ésta se debe incluir en los cálculos de la relación agua – cemento.

3.8.2.3 AGENTES INCORPORADORES DE AIRE

Aunque algunas veces son requeridos, su uso es indeseable en hormigones de alta resistencia debido a la dramática disminución en la resistencia que experimentan los hormigones que lo utilizan.

En ocasiones se han utilizado dosis grandes de agentes incorporadores de aire, especialmente en mezclas con altos contenidos de cemento y ceniza volante, y de poco asentamiento.

La durabilidad es sin duda la propiedad que se ve más favorecida por la utilización de este aditivo. Al disminuir la permeabilidad de la pasta

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notablemente, impide el ingreso de sustancias agresivas que puedan atacar al hormigón, aumentando en gran medida su vida útil.

Su uso es recomendado sobre todo en estructuras marinas.

3.9 TRABAJABILIDAD

Se define en el ACI 116R como: “la propiedad del hormigón fresco que determina la facilidad y homogeneidad con que se puede mezclar, colocar, compactar y terminar ”.

3.9.1 ASENTAMIENTO

El ASTM C 143 describe un ensayo normalizado para medir el asentamiento del hormigón, con el cual se cuantifica la consistencia de los hormigones plásticos y cohesivos. Este método tiene su aplicación limitada a un cierto rango del cual escapan los hormigones con muy bajo o muy alto asentamiento.

El hormigón de alto desempeño demanda una masa densa y libre de vacíos en contacto total con el acero de refuerzo y encofrados. El asentamiento debe reflejar esta necesidad y lograr con esto una mezcla trabajable, fácil de vibrar, y lo suficientemente móvil para pasar a través de las armaduras. Normalmente, un asentamiento de 100 mm proporcionará la trabajabilidad requerida. Por facilidad de bombeo a grandes alturas, usualmente se prefieren consistencias entre 150 mm y 250 mm en el cono de Abrams.

Los hormigones de alta resistencia tienden a perder asentamiento más rápidamente que los hormigones de resistencia normal. Esto se debe a que en general, los reductores de agua de alto rango pierden eficacia rápidamente; motivo por el cual, este aditivo debe añadirse en obra. Si el asentamiento se utilizará como control en obra, el ensayo deberá realizarse en el tiempo preestablecido después del mezclado.

3.9.2 FACILIDAD DE COLOCACIÓN

El hormigón de alto desempeño, usualmente diseñado con tamaño máximo de agregado de 12 mm y con contenidos altos de aditivos, es inherentemente colocable siempre que se le haya dado la suficiente atención a la optimización de la proporción de los agregados.

3.9.3 COHESIVIDAD

Se pueden diseñar hormigones con asentamientos variables que cumplan con determinada fluidez; sin embargo se debe dar atención a la selección de agregados y su proporcionamiento para obtener el asentamiento óptimo.

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La cohesividad es inherente en mezclas con alto contenido de partículas finas requeridas en mezclas de alta resistencia. Ciertos cementos o ciertas mezclas con algunas puzolanas pueden causar una cohesividad indeseable que trabajará en contra de la fluidez. La cantidad de material cementicio de la mezcla normalmente se toma como la mínima cantidad requerida para obtener un nivel de resistencia determinado combinado con la máxima cantidad de agregado grueso dentro de los requerimientos de trabajabilidad.

3.10 PASTONES DE PRUEBA

Con frecuencia, el desarrollo de un programa de hormigón de alto desempeño requiere de un gran número de pastones de prueba. Además se pueden realizar pruebas a escala mayor con los equipos que e utilizarán en el proyecto para simular condiciones de producción. Se debe tener cuidado de que los materiales sean representativos de los que se utilizarán en obra.

3.10.1 INVESTIGACIÓN CON PASTONES DE PRUEBA EN LABORATORIO

Los pastones de prueba en laboratorio se han utilizado para obtener diversos resultados. Deben ser preparados de acuerdo al “Método Normalizado para Preparar y curar Probetas de Hormigón en Laboratorio” (ASTM C 192). Sin embargo, cuando sea posible, la simulación del tiempo, manejo y condiciones ambientales deben aproximarse a las encontradas en la obra.

Una vez que se ha establecido la combinación óptima de los materiales, se pueden realizar pastones adicionales para estudiar las características de la mezcla. Se puede definir resistencia a varias edades, además de evaluar características tales como demanda de agua, velocidad de pérdida de asentamiento, sangrado, segregación, y tiempo de fraguado.

3.10.2 PASTONES DE PRUEBA PRODUCIDOS EN EL CAMPO

Después de obtener la mezcla ideal en el laboratorio, es recomendable hacer pastones a mayor escala en el campo. Muy a menudo, los pastones realizados en el laboratorio arrojan resultados mayores que los obtenidos en obra, como lo indica la Figura 3. El requerimiento de agua en obra, y el consiguiente rendimiento del hormigón, varía con respecto al diseño del laboratorio significativamente. La producción y control de calidad del proceso han sido evaluados más acertadamente utilizando pastones a escala de producción, con el personal que trabajará en obra.

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4 DOSIFICACIÓN, MEZCLADO, TRANSPORTE, COLOCACIÓN, CURADO Y PROCEDIMIENTOS DE CONTROL

4.1 INTRODUCCIÓN

La dosificación, mezclado, transporte, colocación y procedimientos de control para los hormigones de alto desempeño en principio son similares a los utilizados para hormigón convencional, así que se puede seguir los lineamientos del ACI 304. Sin embargo, es necesario puntualizar ciertos aspectos. El mantener el contenido unitario de agua de la mezcla se torna crítico en estos hormigones, ya que ligeras variaciones en la cantidad de agua añadida, debido a que inicialmente se utilizan valores muy bajos, repercute en pérdidas grandes de resistencia. Así también, debido a los altos contenidos de cemento involucrados, se tornan de utilidad las recomendaciones en el orden térmico.

Además, la producción y control de los hormigones requiere de personal calificado tanto en la producción como en los laboratorios de ensayo.

4.2 DOSIFICACIÓN

4.2.1 CONTROL, MANEJO Y ALMACENAMIENTO DE MATERIALES

Todas estas operaciones no tienen porque ser diferentes a las prácticas con hormigones convencionales. Son esenciales un correcto acopio de los agregados, uniformidad en la humedad de los materiales durante el proceso de dosificación y un procedimiento correcto de muestreo. Se recomienda limitar la temperatura del cemento en el momento de la dosificación a 66º C para clima cálido. En lo posible localizar la instalación lo más próximo posible al sitio de la obra, para reducir tiempos de acarreo.

4.2.2 MEDICION Y PESAJE

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La correcta medición y pesaje es esencial para obtener buenos resultados. para mantener la relación agua – cemento necesaria para el desarrollo de alta resistencia, se debe realizar una determinación, lo más precisa que sea posible, de la humedad de los agregados.

4.2.3 CARGA DE MATERIALES

El procedimiento de cargado de materiales influye en el correcto mezclado del hormigón correctamente mezclado tanto en mezcladoras estacionarias como en camiones mezcladores. Generalmente, la uniformidad del hormigón mezclado en una central de hormigonado se obtiene mediante alimentación por cintas transportadoras cargando agregados, cemento y agua simultáneamente. Cuando el mezclado se lo realiza en camiones y se tienen distancias de acarreo largas, para controlar la hidratación del cemento y fraguado del hormigón se puede utilizar un procedimiento que consiste en parar el tambor mezclador después de cargar todos los agregados y tres cuartos del agua y antes de cargar el cemento y luego, al llegar a la obra arrancar el mezclador. Los problemas de pérdida de revenimiento pueden disminuirse de esta manera.

Se recomienda que el aditivo sea añadido después de que se han mezclado todos los otros ingredientes. El ASTM C 94 establece las condiciones que debe cumplir una hormigonera para obtener un correcto mezclado de los materiales.

4.3 MEZCLADO

4.3.1 MEZCLADO EN SITIO

Los hormigones de alto desempeño pueden ser mezclados totalmente en la planta, en un camión mezclador o en una combinación de los dos. En general se debe seguir las recomendaciones del ACI 304 para el mezclado. Ensayos realizados y la experiencia indican que se puede mezclar este hormigón en cualquier mezcladora común, mostrándose benéfico el hecho de reducir la cantidad de materiales bajo la capacidad establecida de la mezcladora para asegurar una mayor eficiencia de mezclado.

4.3.2 DESEMPEÑO DE LA MEZCLADORA

El desempeño de la mezcladora usualmente se determina mediante ensayos establecidos en el ASTM C 94 para comprobar dos o tres instancias durante la descarga y localización del hormigón. Saucier [15] indica que debido a la baja cantidad de agua y elevado contenido de cemento y a una usual ausencia de agregado grueso de gran tamaño, resulta más difícil obtener un mezclado eficiente para hormigones de alta resistencia que para los normales, de aquí que se pueda requerir de procedimientos especiales.

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4.3.3 TIEMPO DE MEZCLADO

El tiempo de mezclado requerido está limitado a la habilidad de la mezcladora para producir una mezcla correcta de todos sus componentes dentro de una carga y entre cargas. Las recomendaciones del fabricante del mezclador, el ACI 304, e indicaciones generales, tales como 1 minuto por cada 0.75 m3 más ¼ de minuto por cada 0.75 m3 de capacidad, son utilizadas satisfactoriamente como guías para establecer el tiempo de mezclado. De otro modo, se puede establecer el tiempo de mezclado en base a los resultados obtenidos en pruebas de eficiencia. Un mezclado prolongado puede dar lugar a pérdidas de humedad y la consiguiente disminución de la trabajabilidad.

4.3.4 HORMIGÓN PREMEZCLADO

Se debe tener precaución con las operaciones de hormigonado en la obra para evitar que los camiones de hormigón premezclado tengan que esperar debido a demoras en la colocación. Se puede utilizar retardadores para prolongar el tiempo de fraguado y poder colocar el hormigón con más holgura. Una práctica utilizada es dejar un remanente de agua para ser colocado en la obra y luego hace girar la mezcladora 30 revoluciones a velocidad de mezclado. Si hay que adicionar un reductor de agua de alto rango en la obra, se debe asegurar que el aditivo se distribuya uniformemente en toda la masa de hormigón.

4.4 TRANSPORTE

4.4.1 CONSIDERACIONES GENERALES

El hormigón de alto desempeño puede ser transportado por una gran variedad de equipos, tales como camiones mezcladores, tubería (bombeado), cinta transportadora, etc. Cada método tiene sus ventajas y desventajas dependiendo de la localización de la obra, de la facilidad para ingresar a la misma, condiciones de uso, clima, etc. y deben ser consideradas al momento de decidir el tipo de transporte a emplearse.

4.4.2 CAMIONES MEZCLADORES

Este método resulta recomendable para acarreos largos ya que se puede determinar el momento apropiado para la introducción del cemento en el tambor. Sin embargo, la humedad libre de los agregados, que es parte del agua de mezclado, si la hubiera, puede hidratar el cemento.

4.4.3 BOMBEO

En muchos casos, el hormigón de alto desempeño podrá ser bombeado. Este hormigón posee mucho cemento y un pequeño tamaño máximo del agregado,

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ambos factores facilitan el bombeo. El capítulo 9 del ACI 304 provee información sobre el uso de bombas para transportar el hormigón.

4.4.4 CINTAS TRANSPORTADORAS

Estas cintas se han utilizado con éxito en la transportación del hormigón. Generalmente se utilizan estas cintas para transportar distancias entre 50 y 100 m y baja altura, debido a que el rango práctico de asentamiento fluctúa entre 25 m y 100 m. Hay que controlar el ángulo de inclinación para controlar la segregación y tomar medidas de acuerdo a las condiciones del medio ambiente. En el ACI 304.4R se encuentran recomendaciones para la utilización de cintas transportadoras.

4.5 COLOCACIÓN

4.5.1 PREPARATIVOS

Antes de empezar la colocación del hormigón se deben realizar una serie de preparativos para evitar contratiempos de último minuto durante los procesos de colocación. Se debe tener en cuenta el hecho de que el tiempo para trabajar el hormigón será más reducido que lo normal, por lo que una correcta planificación del itinerario de hormigonado y disponibilidad de equipo adecuado será indispensable.

4.5.2 EQUIPO

Un requerimiento básico para los equipos de colocación es que la calidad del hormigón, en términos de todas sus características, sea preservada. El hormigón debe depositarse lo más próximo al lugar donde quedará definitivamente, y para esto se pueden utilizar equipos tales como baldes, carretillas u otros medios según se requiera. Hay que tener en cuenta que una permanencia larga del hormigón en el balde, debido a su alto contenido de cemento y cohesividad, hará muy difícil su descarga.

4.5.3 CONSOLIDACIÓN

La manera más efectiva para consolidar el hormigón de alto desempeño correctamente es mediante vibración interna. Debido a la importancia que tiene la consolidación en la resistencia del hormigón, las provisiones del ACI 309 deben seguirse para obtener buenos resultados. La importancia de una buena compactación no puede exagerarse.

4.6 CURADO

4.6.1 NECESIDAD DEL CURADO

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El curado es el proceso de mantener el contenido de humedad necesario y la temperatura favorable en el hormigón durante el período de hidratación de los materiales cementicios para que se puedan desarrollar completamente las propiedades del hormigón deseadas. El curado es esencial en la producción de hormigón de calidad; es crítico en la producción de hormigón de alto desempeño. La resistencia potencial y durabilidad del hormigón se desarrollarán por completo solamente si es curado correctamente durante un período adecuado antes de ponerlo en servicio.

4.6.2 TIPO DE CURADO

Se han ensayado diversos tipos de curado. Curado mediante utilización de agregados saturados e inundación de los elementos, utilización de agregados secos y cobertura de los elementos y con mantos húmedos, o curado húmedo por 28 d y luego en aire, se han adoptado en obra, dando diversos resultados; el más aconsejado sin embargo, es el curado con agua debido a las bajas relaciones agua – cemento empleadas.

4.7. PROCEDIMIENTOS DE CONTROL DE CALIDAD

4.7.1 CRITERIO

La primera consideración para seleccionar los procedimientos a seguir es determinar si la distribución de los resultados de resistencia se pueden representar mediante una distribución normal. Otro punto muy importante a considerar es la edad de ensayo para aceptación del hormigón. Debido al importante incremento de resistencia después de los 28 días, muchos investigadores sugieren establecer la fecha de ensayo en 56 o 90 días.

4.7.2 MÉTODOS DE EVALUACIÓN

Para satisfacer requerimientos de resistencia para el diseño de estructuras, la resistencia promedio del hormigón debe exceder a la de diseño, fc. Esta cantidad en exceso depende de la variabilidad de los resultados obtenidos expresados mediante el coeficiente de variación o la desviación estándar.

Asumiendo que el productor de hormigón destinará una razonable cantidad de esfuerzo en lograr una buena calidad tanto en materiales como en procedimientos, el método de la desviación estándar parece ser un procedimiento de control de calidad lógico. Considérese, por ejemplo, que en una obra con una resistencia requerida de 70 MPa se espera realizar un buen control en los procesos. Una resistencia promedio requerida de 77 MPa se necesitará obtener con una desviación estándar de 4.5 MPa.

f’cr = fc + 1.34s = 70 + 1.34 x 4.5 = 76 MPa ACI 318 (4-1ª)

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ó f’cr = fc+ 2.33s – 3.4 MPa = 70 + 2.33 x 4.5 – 3.4 = 77 MPa ACI 318 (4-1b)

s = desviación estándar

Por supuesto, un seguimiento de los resultados y registro de los mismos en gráficos de control u otros medios, son necesarios para mantener el control deseado.

4.8 MEDICION DE LA RESISTENCIA

4.8.1 CONDICIONES

Debido a que el mayor interés en un hormigón de alta resistencia es su resistencia a compresión, la medida de este valor es de primordial importancia. Se deben seguir los métodos de ensayo normalizados del ASTM excepto cuando debido a las peculiaridades del hormigón de alta resistencia se torne necesario realizar algún cambio.

Además de las probetas de control de calidad, resulta de mucha utilidad trabajar con cilindros curados en obra, y puede ser necesaria su utilización en climas extremos para obtener datos más reales para fines de remoción de encofrados o puesta en carga. La norma ASTM C648 requiere un mínimo de dos cilindros por edad de ensayo.

4.8.2 FORMA Y TAMAÑO DE LA PROBETA

Las normas ASTM especifican el tamaño de la probeta de 150 mm de diámetro por 300 mm de altura.

En hormigones de alto desempeño se pueden utilizar probetas menores, por ejemplo de 100 mm x 200 mm, dado el pequeño tamaño máximo del agregado grueso usado.

4.8.3 APARATO DE ENSAYO

Las características de la máquina de ensayo que pueden afectar la medición de la resistencia a la compresión incluyen una calibración precisa, rigidez longitudinal y lateral, estabilidad, alineamiento de sus componentes, tipo de plato de carga, y el comportamiento de los asientos esféricos de los platos. Las máquinas de ensayo utilizadas para ensayar probetas cilíndricas deben cumplir con las especificaciones ASTM C 39. El diseño general de la máquina incluyendo rigidez longitudinal y lateral, y estabilidad, afectarán el

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comportamiento de la probeta a carga máxima. El tipo de plato de carga y el comportamiento de su asiento esférico afectará el nivel de resistencia medido.

Se recomienda una rigidez de 17.5 MN/m, tanto longitudinal como lateralmente. El plato superior de carga debe tener un asiento de contacto esférico y debe ser capaz de rotar y hacer contacto completo con la probeta bajo carga inicial y desenvolverse como empotramiento al acercarse a la carga última.

El diámetro de los platos de carga es crítico. El diámetro de los platos de carga debe ser aproximadamente igual a las dimensiones de la probeta. Superficies de carga mayores que la probeta ocasionarán una restricción a la expansión lateral ocasionando esfuerzos de confinamiento, mientras que superficies menores pueden ocasionar que porciones de la probeta no tengan carga durante el ensayo y que el plato se doble ocasionando una distribución no uniforme de los esfuerzos.

4.8.4 TIPO DE MOLDE

El molde a utilizar debe cumplir con ciertas características tales como indeformabilidad, estanqueidad para evitar pérdidas de pasta, y ser de un material no absorbente. La utilización de moldes que no cumplan con estos requisitos puede ocasionar diferencias notables en la resistencia del hormigón.

Los hay de acero, plástico, PVC, y descartables. Se debe verificar que el molde escogido permita mantener la integridad de su contenido a lo largo del período de utilización, para evitar variaciones en los resultados.

4.8.5 PREPARACIÓN DE LA PROBETA

Por muchos años la tecnología del hormigón ha reconocido la necesidad de preparar los extremos de la probeta mediante morteros o puliendo las superficies. Los efectos detrimentes de una falta de no planicidad, irregularidad, grasa, etc., son muy conocidos. para hormigones de alta resistencia, la resistencia de los morteros de preparación de superficie, si son utilizados, debe considerarse. Si la resistencia o módulo de elasticidad del material a utilizarse es menor que la de la probeta, las cargas aplicadas a través del mismo no se distribuirán uniformemente.

el mortero de azufre es el material más utilizado. Se recomienda que el espesor del material esté comprendido entre 1.5 y 3 mm. Sin embargo esto es difícil de obtener consistentemente. Gaynor [16] y Saucier [17] indican que se puede ensayar hormigones de alta resistencia, hasta 70 MPa, utilizando morteros de azufre muy resistentes (50 a 60 MPa), manteniendo el espesor de este material en el orden de 6 mm. Para resistencias sobre los 70 MPa, los extremos de la probeta deben ser trabajados o pulidos [18].

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5 PROPIEDADES DEL HORMIGÓN DE ALTO DESEMPEÑO

5.1 INTRODUCCIÓN

Las propiedades del hormigón tales como la relación esfuerzo – deformación, módulo de elasticidad, resistencia a la tensión, resistencia al corte, y adherencia son expresadas con frecuencia en términos de la resistencia a la compresión de cilindros de 150 x 300 mm. Generalmente, las expresiones se han basado en datos experimentales con hormigones de menos de 41 MPa de resistencia a la compresión. En este capítulo se revisan algunas de esas propiedades, además de examinar la aplicabilidad de las expresiones propuestas para predecirlas.

5.2 RELACION ESFUERZO – DEFORMACIÓN BAJO COMPRESIÓN UNIAXIAL.

En la Figura 4 se muestran varias curvas esfuerzo–deformación para hormigones de resistencia a la compresión de hasta 70 MPa. La forma de la parte ascendente de la curva para hormigones de alta resistencia es más recta y empinada; la deformación máxima es ligeramente mayor, así también, para estos hormigones. La pendiente de la parte descendiente se torna mayor a medida que la resistencia aumenta. Para obtener la parte descendiente de la curva esfuerzo- deformación, se hace necesario evitar la interacción probeta – sistema de ensayo; esto es más difícil de lograr para hormigones de alta resistencia.

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Un método para obtener la parte descendiente de la curva consiste en cargar en paralelo el cilindro de hormigón y un tubo de acero de un espesor tal que permita que la carga total ejercida por la máquina de ensayo se incremente constantemente. Otro método utilizado es realizar un ensayo a una velocidad de deformación controlada en máquinas un poco más complejas.

El hormigón de alta resistencia exhibe menor cantidad de microfisuras que los hormigones de baja resistencia para un nivel de deformación axial dado. [19]. como resultado de esto, el incremento relativo en las deformaciones laterales es menor para estos hormigones [20]. Esto puede significar que los esfuerzos triaxiales pueden ser proporcionalmente diferentes para hormigones de alta resistencia.

5.3 MÓDULO DE ELASTICIDAD

En 1934, Thoma y Raeder [21] reportaron valores para el módulo de elasticidad, determinado como la pendiente de la tangente a la curva esfuerzo- deformación al 25 % del esfuerzo máximo, de 29 GPa a 36 GPa para hormigones cuya resistencia a compresión estaba comprendida entre 69 MPa y 76 MPa. Otros investigadores han obtenido valores mayores y menores dependiendo del método utilizado para la determinación del módulo. como se puede apreciar. Se ha comprobado que el código ACI 318 sobreestima el valor del módulo de elasticidad para hormigones con una resistencia mayor a 41 MPa [2]

Una correlación propuesta [2] entre el módulo de elasticidad Ec y la resistencia a la compresión fc para hormigones de densidad normal es la siguiente:

Ec = 3320(fc)1/2 + 6900 MPa para 21 MPa < fc < 83 MPa

Las desviaciones de los valores estimados dependen en gran parte de las propiedades y proporciones del agregado grueso.

5.4 RELACIÓN DE POISSON

Los valores experimentales disponibles de la relación de Poisson son muy escasos.

Generalmente no se ha encontrado correlación con la resistencia a la compresión, reportándose valores entre 0.20 y 0.30. Perenchio y Klieger [22] concluyen que la relación de Poisson tiende a disminuir a medida que aumenta la relación agua – cemento.

Basándose en la información disponible, la relación de Poisson para hormigones de alta resistencia parece similar a la que se obtiene para hormigones de baja resistencia.

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5.5 MÓDULO DE ROTURA

Los valores reportados en diversas investigaciones para el módulo de rotura de hormigones de alta resistencia, tanto de densidad baja como normal, fluctúan entre 0.6 (fc)1/2 y 0.964 (fc)1/2 donde ambos, el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión se expresan en MPa.

La siguiente ecuación se recomienda [2] para predecir la resistencia a la tracción, medida mediante el módulo de rotura fr:

fr = 0.94 (fc)1/2 para 21 MPa < fc < 83 MPa

5.6 RESISTENCIA INDIRECTA A LA TRACCIÓN

De estudios realizados se encuentra que a medida que se incrementa la resistencia, el valor de resistencia indirecta disminuye, hallándose valores hasta del 5 % de la resistencia a la compresión. También se observa que para hormigón con agregados triturados, la resistencia indirecta a la tracción puede ser hasta un 8% mayor que para uno con cantos rodados, además, este valor resulta ser a los 28 días aproximadamente el 70% de la resistencia a la flexión. [23]

La siguiente ecuación [2] se recomienda para obtener un valor de resistencia a la tracción indirecta fsp mediante la resistencia a la compresión, para hormigones de densidad normal:

fsp = 0.59 (fc)1/2 para 21 MPa < fc < 83 MPa

5.7 RESISTENCIA A LA FATIGA

Los datos disponibles de valores para la resistencia a la fatiga son muy limitados. Bennett y Muir [24] estudiaron la resistencia a la fatiga de cubos de 77 MPa de resistencia, de 102 mm de arista, y descubrieron que después de un millón de ciclos, la resistencia de las probetas sujetas a fatiga variaban entre el 66 % y 71 % de la resistencia estática, para un nivel de esfuerzo mínimo de 8.6 MPa. Los valores más bajos correspondieron a los hormigones de alta resistencia y para los que tenían el tamaño máximo de agregado menor, pero la diferencia era pequeña en magnitud.

Hasta lo que se conoce, la resistencia a la fatiga para hormigones de alta resistencia es la misma que la de los hormigones convencionales.

5.8 PESO UNITARIO

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Los valores medidos de peso unitario para hormigones de alta resistencia son ligeramente mayores que los de hormigón normal, siendo realizados, sin embargo, con los mismos materiales.

5.9 PROPIEDADES TÉRMICAS

Las propiedades térmicas de los hormigones de alta resistencia se ubican dentro de los límites para hormigones normales. Se han obtenido datos de calor específico, difusividad, conductividad térmica, y coeficiente de expansión térmica.

Dado el alto contenido de cemento usual en un HAD, en muchas obras será necesario estudiar la elevación de temperatura en el hormigón, que es debida a la hidratación del cemento y depende del contenido de cemento por m3, dimensiones del elemento, temperatura del ambiente, etc. Por ejemplo, en un edificio en Chicago [25] se midieron elevaciones de temperatura en miembros con hormigón de alta resistencia con un contenido de cemento de 502 kg/m3, por el orden de 56 ºC, valor que puede afectar negativamente a la estructura.

Su estudio se puede realizar mediante análisis de las características térmicas de los componentes del hormigón, así como también con mediciones directas.

5.10 RESISTENCIA A CONGELACIÓN Y DESHIELO

La información obtenida acerca de los beneficios de un incorporador de aire para lograr una adecuada durabilidad en hormigones de alta resistencia es contradictoria. Algunos estudios concluyen que se puede prescindir de ellos debido a que el hormigón de alta resistencia posee una baja relación agua – cemento y por consiguiente poca agua para congelarse además de mayor resistencia a la tracción.

En general el hormigón de alto desempeño es mucho más durable que los hormigones convencionales debido a una estructura más densa, y a una red de capilares mucho menor, lo que dificulta de gran manera la entrada del agua.

5.11 CONTRACCIÓN

Existe poca información acerca del comportamiento del hormigón de alto desempeño en cuanto a la contracción. Se ha reportado una alta contracción inicial, que posteriormente se reduce a niveles similares a los de los hormigones normales.

Nagataki y Yonekuras [26] han reportado que la contracción del hormigón de alta resistencia utilizando reductores de agua de alto rango resulta menor que la de hormigones de baja resistencia.

5.12 RETRACCIÓN PLÁSTICA

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Algunos estudios demuestran que la retracción plástica en los hormigones de alto desempeño es mucho menor que en los hormigones convencionales para un nivel de esfuerzo determinado. Sin embargo, el esfuerzo a que son sometidos los hormigones de alta resistencia es mayor, de aquí que la cantidad total de flujo plástico puede ser parecida.

Así como se ha encontrado para hormigones de baja resistencia, el flujo decrece con la edad de puesta en carga, el flujo específico se incrementa con la relación agua – cemento, y existe una relación de linealidad con el esfuerzo aplicado. Esta linealidad en hormigones de alta resistencia se extiende para relaciones esfuerzo – deformación mayores que para hormigones de baja resistencia. [2]

6 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS

6.1 ANTECEDENTES

En los capítulos anteriores se ha demostrado que el hormigón de alto desempeño es un material que se encuentra en desarrollo, y como tal, resulta costoso. En algunas circunstancias su utilización reporta beneficios, en otras no. Antes de considerar la relación beneficio/costo para aplicaciones específicas, se debe estudiar el costo de la producción del material.

En muchas áreas de utilización, los beneficios del hormigón de alto desempeño compensan de sobra el incremento en el costo de los materiales y control de calidad. Específicamente, el hormigón de alto desempeño soportará cargas de compresión a menor costo que cualquier hormigón de baja resistencia. Los ingenieros de Chicago, William Schmidt y Edward S. Hoffman [27] recopilaron datos indicando que el costo para soportar una carga de servicio de 445 kN resulta de 5.02 USD por piso para un hormigón de 41 MPa, 4.21 USD para uno de 52 MPa, y cae a 3.65 USD para uno de 62 MPa. Aún cuando esos datos fueron tomados en 1975, la relación debe ser similar. La razón de esta economía es que si bien este hormigón es más costoso que mezclas de resistencia normal, este incremento en el costo se ve revertido por la importante reducción en las dimensiones del elemento. Esta particularidad lo hace especialmente atractivo para columnas.

Ya que el tamaño de la columna es tan importante arquitectónicamente y más aún por razones de rentabilidad, el hecho de poder disminuir sus dimensiones para estructuras altas permite escoger una solución en hormigón en vez de en acero.

En 1976, Architectural Record [28] hizo notar que una columna de 750 mm x 750 mm con hormigón de 41 MPa puede requerir una cantidad de acero de refuerzo igual al 4% de su área para soportar una carga dada, mientras la

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misma columna pero con un hormigón de 62 MPa necesitaría apenas el 1% de acero, lo mínimo permitido por los códigos.

6.2 ESTUDIO DE COSTOS

La compañía Material Service Corporation de Chicago condujo un estudio que demostró dramáticamente la ventaja económica de reemplazar hormigón de alta resistencia por acero en columnas espaciadas a corta distancia. [2]. Este estudio realizado en 1983, fue hecho para una columna con una carga de diseño (1.4D + 1.7L) de 4.45 MN, y basado en los siguientes precios de los materiales:

$Acero de refuerzo 760/t puesto en obra

Hormigón de 48 MPa 107/m3 puesto en obra

Hormigón de 62 MPa 113/m3 puesto en obra

Hormigón de 76 MPa 139/m3 puesto en obra

Hormigón de 96.5 MPa 172/m3 puesto en obra

Encofrado 373/m3 puesto en obra

Como lo indica la Figura 5, la condición más económica resulta de la utilización de hormigón de alta resistencia con un mínimo de acero.

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6.3 CONTROL DE CALIDAD

A más de la elección de los materiales, otro factor que influirá en los costos es el incremento de ensayos, control de calidad e inspección. La calidad y consistencia de las propiedades del hormigón es crucial, y se deben tomar todos los pasos apropiados para su consecución.

Existen algunos proyectos en los que se ha empleado personal muy calificado para llevar a cabo tareas de control en los procesos de producción del hormigón. Aunque la inspección profesional resulta costosa, la continua educación de los productores, subcontratistas y todos los que trabajan con hormigón en el área de control de calidad, propenderá a la obtención de hormigones de mejor calidad cualquiera sea su resistencia y a una utilización más económica de los materiales.

6.4 CONCLUSIONES

Los beneficios de utilizar hormigones de alto desempeño apenas se están haciendo presentes. Con el incremento en la utilización de este hormigón en proyectos de ingeniería se alcanzarán mas y mayores beneficios en el orden económico. De cualquier forma, los proyectos ya realizados han demostrado las ventajas en su utilización. Por ahora, este hormigón le permite a la ingeniería diseñar con más eficiencia en cuanto a costos y a la utilización del espacio. En el futuro, éstas consideraciones podrían inclinar la balanza en cuanto a que ciertos proyectos se construyan o no.

7 APLICACIONES

Este capítulo pretende mostrar las aplicaciones más comunes del hormigón de alto desempeño. Se presentan además aplicaciones especiales y potenciales donde se consideraron otras propiedades aparte de la resistencia para su utilización.

7.1 EDIFICIOS

La mayor utilización del hormigón de alto desempeño en edificios, tomando en consideración su resistencia, ha sido en columnas. Los beneficios de su utilización fueron comentados en el capítulo anterior. A continuación se presenta la Tabla 2 que contiene proyectos en los que se utilizó este hormigón, además de ciertas características.

Tabla 2 – Edificios construidos con hormigón de alto desempeño [29]

EDIFICIO LOCALIZACIÓN AÑO Nº DE RESISTENCIA

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PLAN-TAS

MÁXIMA DEDISEÑO (MPa)

Water Tower Place Chicago – USA 1975 79 65

Scotia Plaza Toronto – Canadá 1987–1988 68 90

Mezquita de Hassan II Marruecos 92.5

311 South Wacker Chicago – USA 1989-1992 70 91.7

CN Tower Toronto – Canadá 1973-1974 551 m 54.4

Melbourne Central Tower Melbourne – Australia 55 80

Central Plaza Hong Kong 78 60

Grand Hyatt Hotel Washington D.C. 1986 69

EDIFICIO LOCALIZACIÓN AÑO Nº DEPLAN-TAS

RESISTENCIA MÁXIMA DE

DISEÑO (MPa)Pacific First Center Seattle – USA 96.5

225 W. Wacker Drive Chicago – USA 1988 30 96.5

Two Union Square Seattle – USA 1991 120

One Peachtree Center Atlanta – USA 1991 257 m 83

Torre de la Feria de Frankfurt

Frankfurt – Alemania 1990 70

7.2 PUENTES

Ha habido muchas aplicaciones del hormigón de alto desempeño en vigas pretensadas para puentes. Diversos tipos de vigas como tees, cajón, en I, etc., han podido mejorar sus características estructurales gracias a la utilización del HAD. Se presenta una lista de proyectos con algunas características en la Tabla 3.

Tabla 3 – Puentes construidos con hormigón de alto desempeño [29]

PUENTE LOCALIZACIÓN LUZ RESISTENCIA MÁXIMA DE

DISEÑO (MPa)

Puente de la Isla de Re Francia 1987 59.5

Puente de Pertuiset Francia 132 m 80

Viaducto Sylans Francia 58

Viaducto Kwung Tong Hong Kong Ext. 3.7 km 80

Puente sobre el Range Francia 60

40

Puente de Joigny Francia 1989 46 m 60

Fukamitsu Highway Bridge Japón 1974 85 m 69

Ootanabe Railway Bridge Japón 1973 79 m 78.6

7.3 APLICACIONES ESPECIALES

El hormigón de alto desempeño ha sido utilizado, por ejemplo, para la construcción de paneles prefabricados para la casa de máquinas de una presa en Montana (Fort Peck Dam), donde se requería un hormigón muy denso que pudiera soportar las severas condiciones de exposición del lugar [30]

También se lo ha utilizado en la fabricación de postes pretensados para poder reducir sus dimensiones [31]

Ciertos estudios [32] para su utilización en presas de arco revelan que entro los beneficios de utilizar un HAD estarían la existencia de menores deflexiones y la mayor resistencia de las juntas de construcción, por otro lado, se tendría que enfrentar desventajas tales como concentraciones de esfuerzos, sobre todo en la base, y problemas térmicos.

Por durabilidad, se lo ha utilizado en la construcción de pilotes en cimentaciones de obras marinas, plataformas de muelles. La protección contra la corrosión del acero que presente este hormigón se debe principalmente al incremento en la resistividad eléctrica, y a una gran reducción en la permeabilidad a los cloruros [33]

7.4 APLICACIONES POTENCIALES

Muchas aplicaciones del hormigón de alto desempeño han utilizado las características de resistencia del material. Sin embargo, este hormigón puede poseer otras características que se podrían utilizar ventajosamente en las estructuras de hormigón.

Debido al menor flujo plástico del HAD y a su mayor módulo de elasticidad, se lo puede utilizar en losas en las que se necesite acelerar el desencofrado.

Debido a su alta durabilidad y calidad, el aumento de la vida útil de las estructuras puede resultar decisivo para su utilización.

Recientemente, se ha especificado hormigón de alto desempeño para aplicaciones en edificios de almacenaje, plantas de fundición, garajes de parqueo, capas de rodadura en puentes, vertedores de excedentes en presas y pisos industriales. En estas aplicaciones el HAD fue especificado para proporcionar resistencia al ataque químico, mayor resistencia a la abrasión,

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mejorar la durabilidad para resistir ciclos de congelación y deshielo, y menor permeabilidad.

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